高性能環(huán)保內(nèi)燃機鎳基復(fù)合鍍層鋁氣缸的技術(shù)及應(yīng)用

張丹

（福州鉅全汽車配件有限公司福建福州350014）

高性能環(huán)保內(nèi)燃機鎳基復(fù)合鍍層鋁氣缸的技術(shù)及應(yīng)用

張丹

（福州鉅全汽車配件有限公司福建福州350014）

在摩托車發(fā)動機和其它小型汽油機鑄造鋁合金氣缸內(nèi)壁電鍍鎳基耐磨復(fù)合鍍層，取代傳統(tǒng)的鑄鐵缸套和電鍍鉻氣缸，解決了電鍍鉻氣缸生產(chǎn)過程中的污染問題，實現(xiàn)環(huán)保型生產(chǎn)。同時，能夠提高發(fā)動機動力性能。采用灌入式技術(shù)取代國外浸泡式，以及開發(fā)的六工位加工設(shè)備，實現(xiàn)了復(fù)合電鍍氣缸的高效批量生產(chǎn)。

鋁合金氣缸鍍鎳-碳化硅灌入式

引言

隨著內(nèi)燃機工業(yè)的發(fā)展，氣缸和活塞作為發(fā)動機的核心部件，其性能及匹配性直接影響內(nèi)燃機的性能和排放指標的水平和穩(wěn)定性。福州鉅全汽車配件公司研究開發(fā)的高性能環(huán)保的內(nèi)燃機鋁氣缸，是在氣缸，活塞、活塞環(huán)摩擦付優(yōu)化匹配研究的基礎(chǔ)上.在鑄造鋁合金氣缸內(nèi)壁電鍍Ni-SiC復(fù)合鍍層。該技術(shù)代替硬鉻，解決了部分產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的六價鉻污染問題。研制成功的先進灌入式電鍍工藝，逐步取代了小槽浸泡式電鍍工藝；同時，開發(fā)的具有特殊加工工藝的六工位氣缸加工專用機臺，使高性能環(huán)保的鋁氣缸在制造、技術(shù)工藝不斷改進中實現(xiàn)大批量的穩(wěn)定高效生產(chǎn)。目前，已經(jīng)形成了表面復(fù)合電鍍Ni+SiC的鋁合金系列氣缸生產(chǎn)能力。

1 鎳基耐磨復(fù)合鍍層氣缸的電鍍技術(shù)

1.1 Ni-SiC復(fù)合鍍的基本概念

在電鍍?nèi)芤褐屑尤牍腆w碳化硅顆粒并使其與基質(zhì)金屬鎳（或稱主體金屬）共沉積在基體上的鍍層稱為Ni-SiC復(fù)合鍍層，這種金屬鎳基的復(fù)合材料有時也稱為金屬陶瓷，獲得復(fù)合鍍層的工藝稱為復(fù)合鍍。

1.2 Ni-SiC復(fù)合鍍層的磨損機理

復(fù)合鍍層是兩相組織，復(fù)合鍍層與滑動摩擦面接觸時，首先是基質(zhì)金屬鎳受到磨損，再使鑲嵌在金屬中的固體碳化硅顆粒得以凸出，并承受磨損。此外，鍍層表面離微粒周圍稍遠些位置部分鎳被磨損掉，會形成深淺不等，方向不同的凹槽，它可以儲存潤滑油（劑），從而使其具有良好的耐磨性能。

1.3 Ni-SiC復(fù)合鍍層的技術(shù)特征

1）Ni-SiC電鍍層硬度高，HV0.2≥500；

2）電鍍層孔隙率高，自潤滑性能突出，磨擦系數(shù)小，氣缸使用壽命長；

3）Ni-SiC氣缸散熱效率高，熱負荷低，使用壽命長；

4）Ni-SiC電鍍層采用環(huán)保電鍍工藝，不含六價鉻等有害物質(zhì)，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，完全符合歐盟ROHS環(huán)保標準。

1.4 Ni+SiC復(fù)合電鍍的關(guān)鍵技術(shù)問題

1.4.1 工藝穩(wěn)定性

涉及鍍層的均勻性，硬質(zhì)顆粒分布的控制，硬度的控制，電鍍槽液的穩(wěn)定性問題。

1.4.2 電鍍陽極的選擇

氣缸是內(nèi)孔電鍍決定了復(fù)合電鍍陽極和普通電鍍的不同。經(jīng)過反復(fù)分析研究，所確定的氧化銥/鈦不溶型陽極技術(shù)方案既滿足了復(fù)合電鍍的需要，也克服了傳統(tǒng)鉑/鈦陽極的價格制約因素，實現(xiàn)了鍍層厚度的均勻性，減少后續(xù)珩磨量及生產(chǎn)成本。

1.4.3 成本問題

鍍液老化和再生、均勻問題。添加劑控制及槽液循環(huán)系統(tǒng)投入及控制，不良率的控制。

2 Ni-SiC復(fù)合鍍氣缸缸孔的機加工技術(shù)

由于Ni-SiC復(fù)合鍍層有很高的硬度及耐磨性，復(fù)合電鍍氣缸缸孔的機加工和珩磨工藝方面需要進行系統(tǒng)的研究開發(fā)。

借鑒六工位專機專利技術(shù)開發(fā)了氣缸加工專用機臺，通過硬質(zhì)加工刀具的優(yōu)選試驗保證設(shè)備高效、穩(wěn)定的切削能力；氣缸的進排氣口，掃氣口是銳角，針對其電鍍后由于尖端放電所產(chǎn)生的尖銳的硬質(zhì)毛刺，自制了球型刀NC加工專用機，通過電腦模擬編程刀具軌跡，實現(xiàn)了NC自動去毛刺，使Ni-SiC復(fù)合鍍層氣缸的大批量生產(chǎn)能力得到保證。在設(shè)備制造，工藝調(diào)整，標準工時的探討上做了大量的試驗，獲得了很高的機加工生產(chǎn)效率。

針對復(fù)合鍍層氣缸機加工半成品孔加工后，出現(xiàn)的電鍍腐蝕導(dǎo)致孔變大的問題，通過研究氣缸孔電鍍前后的變化規(guī)律，調(diào)整了電鍍前的加工尺寸并實施二次加工工藝，保證了產(chǎn)品生產(chǎn)一致性。

Ni-SiC復(fù)合電鍍后的氣缸耐磨性能很高，給后續(xù)珩磨工藝帶來了困難。通過鍍層厚度的均勻性的控制，珩磨石的選用，珩磨量的調(diào)整及不同氣缸機型立臥式珩磨方法的選用，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了Ni-SiC復(fù)合電鍍氣缸大批量高效生產(chǎn)。

3 主要技術(shù)指標與對比分析

1）附著力良好，完全符合GB/T5270-2005/ ISO2819：1980附著力的檢驗中磨、鋸要求及深引檢驗要求（羅曼諾夫凸緣帽檢驗），得到歐美及日本多家客戶的肯定，并在臺架實驗中到驗證，與基體結(jié)合牢固。

2）鎳-碳化硅復(fù)合鍍層的硬度：HV0.2≧500，耐磨性能良好，發(fā)動機臺架含初期磨合100h實驗中鍍層磨損量為5～7.5μm，大大小于鑄鐵氣缸的磨損量。

3）鎳-碳化硅復(fù)合鍍層膜厚均勻，平均厚度45± 11μm。

4）鎳-碳化硅分布的空白率：10%～30%。

5）技術(shù)條件符合圖面要求。內(nèi)孔表面鍍鎳-碳化硅的氣缸產(chǎn)品能滿足并通過客戶的發(fā)動機臺架試驗。

6）與國內(nèi)外同類技術(shù)或產(chǎn)品比較（詳見表1）。

表1 鋁合金氣缸主要技術(shù)指標與工藝性對比分析

4 Ni-SiC復(fù)合電鍍技術(shù)研究分析

在鑄造鋁氣缸上探索合理的工藝路線，改變傳統(tǒng)的電鍍?nèi)芤撼煞郑ㄟ^采用專利技術(shù)NI-SIC復(fù)合電鍍液[1，2]，實現(xiàn)復(fù)合電鍍氣缸的批量生產(chǎn)，鍍層硬度高，強化氣缸內(nèi)孔摩擦面，增加氣缸的使用壽命。

鎳-碳化硅的復(fù)合電鍍液成分組成包括，氨基磺酸鎳300～400 g/L、硼酸40～60 g/L、次磷酸鈉0.7～1.0 g/L、碳化硅2～5 g/L，其中的pH4.3～4.5 T（℃）50～60。本公司系統(tǒng)開展了復(fù)合電鍍液的含量對鍍層結(jié)合力、硬度、外觀、電鍍速度的影響研究（電鍍條件：PH值4.4，50℃，20min）。

4.1 硼酸含量對鍍層結(jié)合力的影響

ρ（硼酸）/（g·L-1）303540455055結(jié)合力情況脫落脫落好好好好

4.2 次磷酸鈉含量對鍍層硬度的影響

ρ（次磷酸納）/（g·L-1）00.20.40.60.81.01.21.41.6硬度（HV0.2）280 300 380 500 560 620 650 700 760

4.3 電鍍方法、電流密度對鍍層外觀、電鍍速度的影響

電流密度/（A·dm-2）5101520253035鍍層厚度/um12253850627580鍍層外觀（沉浸式）細致細致粗糙粗糙粗糙粗糙粗糙鍍層外觀（上流循環(huán)）細致細致細致細致細致細致粗糙

4.4 鋁合金表面灌入式電鍍工藝研究

開發(fā)設(shè)計的Ni-SiC灌入式電鍍工裝使電鍍液在整個工作期間始終處于定量流動狀態(tài)下，減少了碳化硅顆粒沉積的概率，該工裝獲得的碳化硅分散性優(yōu)于傳統(tǒng)浸泡式方法。其操作參數(shù)：電流密度20～36 A/dm2；溫度50～58℃；沉積速度4～6um/min；pH值4.2～4.6；流速2.5～4L/（dm2·min）。電鍍鎳-碳化硅厚度80um僅需要18min～20min，而傳統(tǒng)浸泡式電鍍80um需要40min～50min。而且減少了鍍液再生時間和費用，解決了生產(chǎn)周期長，電鍍槽液老化和浪費嚴重問題及電鍍質(zhì)量不穩(wěn)定性問題。

5 發(fā)動機臺架驗證及應(yīng)用前景

鋁合金氣缸內(nèi)孔表面鍍Ni+SiC工藝已通過了瑞典、美國、日本及國內(nèi)不同主機廠的二十多個不同型號氣缸的發(fā)動機臺架大于200 h的耐久試驗，排放動力指標都達到標準。其中，日本主機廠用鍍層檢驗嚴苛的檢驗方法鉆孔檢驗法達到A級標準（參見表2）。

氣缸和活塞是車用、非道路用發(fā)動機中的重要零件，Ni-SiC復(fù)合鍍層鋁合金氣缸具有良好的耐磨潤滑性能，符合國際環(huán)保標準。在歐美國際市場及國內(nèi)主機與配件市場具有廣闊的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)市場對該技術(shù)產(chǎn)品的需求量較小，在國際市場已得到廣泛的技術(shù)認可并大批量配套應(yīng)用。

表2 主機廠對鍍層附著力的檢測結(jié)果

6 結(jié)論

Ni+SiC復(fù)合電鍍鋁合金氣缸具有良好的耐磨潤滑性能，可以有效提高內(nèi)燃機性能及可靠性，減輕發(fā)動機的質(zhì)量。在攜帶式小汽油機，高性能摩托車汽油機，中小排量車用汽油機和特殊的輕型汽油機上具有廣泛的應(yīng)用前景。本文通過Ni+SiC復(fù)合電鍍新工藝的系統(tǒng)研究，保證了鋁合金氣缸復(fù)合鍍層的穩(wěn)定性、均勻性和質(zhì)量，并降低了成本，為內(nèi)燃機的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。

1薛玉田.一種電鍍鎳-碳化硅的復(fù)合電鍍液：CN，101302643A[P].2008-01-18

2王秋梅，方玉霞，袁孝友.納米碳化硅復(fù)合化學(xué)鍍鎳-磷合金工藝[J].電鍍與涂飾，2011，30（1）：30～33

3徐述榮，林勇釗，張旭，等.一種ALSiC復(fù)合材料及其制備方法，一種鍍鎳ALSiC復(fù)合材料：CN，102815048 A [P].2011-06-10

4劉俊元，苗金良，李美華.摩托車缸體電鍍鎳-碳化硅工藝[J].摩托車技術(shù)，2001（7）：19

The Technology and Application for Ni Plating Cylinder with High Environmental Performance Used in Internal-Combustion Engine

Zhang Dan
Fuzhou Jieh Chueng Automobile Fitting Co.，Ltd.（Fuzhou，F(xiàn)ujian，350014，China）

Nickle/silicon carbide plating for cylinder inner bore is used in motorcycle engine and other small gas engine，which has already replaced iron cylinder and chromated cylinder，solved the pollution issue during chrome production process，and achieved clean production.And meanwhile，it could enhance the engine power.Adapting injection technology to replace immersing and developing the 6 section dedicated machine have achieved high efficiency production.

Al-alloy cylinder，Nickel/silicon carbide plating，Injector

TK413.1

A

2095-8234（2014）05-0042-03

2014-07-07）

張丹（1969-），女，工程師，主要研究方向為高精密鋁合金件的鑄造加工，表面處理及活塞設(shè)計。